机械制造基础数控技术

1、1 第十讲第十讲 一、内容一、内容： 1、数控技术数控技术 二、思考与分析：二、思考与分析： 1 1、什么是数控机床、什么是数控机床 2 2、数控机床的加工特点、数控机床的加工特点有哪些？有哪些？ 3 3、不适宜数控机床加工的范围有哪些？不适宜数控机床加工的范围有哪些？ 4 4、数控机床是怎样分类的、数控机床是怎样分类的? ? 5 5、数控系统组成数控系统组成部分有哪些？部分有哪些？ 2 第八章第八章 数控技术数控技术 1 1、数控的一般含义、数控的一般含义 数控即数字控制数控即数字控制(Numerical Control(Numerical Control缩写为缩写为NC)NC)， 是数字程

2、序控制的简称。是数字程序控制的简称。 2 2、数控机床的定义、数控机床的定义 通过加工程序编制工作，将其控制指令以数字信通过加工程序编制工作，将其控制指令以数字信 号号( (即数字码和文字码即数字码和文字码) )的方式记录在信息介质上，经的方式记录在信息介质上，经 计算和处理后，对机床各种动作的顺序、位移量和速计算和处理后，对机床各种动作的顺序、位移量和速 度实现自动控制的一门技术。度实现自动控制的一门技术。 3 3、数控与其他自动控制的区别、数控与其他自动控制的区别 ： 多轴自动车床、液压仿形铣床及靠模车床等多轴自动车床、液压仿形铣床及靠模车床等 机床进行的自动加工，其性质都不属于数控，因为

3、它机床进行的自动加工，其性质都不属于数控，因为它 们实施自动控制的方式是通过预先配置并调整好的凸们实施自动控制的方式是通过预先配置并调整好的凸 轮、挡块、靠模板、行程轮、挡块、靠模板、行程( (限位限位) )开关和液压控制阀等开关和液压控制阀等 装置去完成的，而数控则是通过数字信息这一特定控装置去完成的，而数控则是通过数字信息这一特定控 制指令，完成其复杂的自动控制功能。制指令，完成其复杂的自动控制功能。 3 一、数控机床的工作原理一、数控机床的工作原理 1 1、数控机床的构成、数控机床的构成 数控机床由三大部分组成数控机床由三大部分组成 （1 1）机床主体机床主体 （2 2）对数控机床进行指

4、挥、控制的）对数控机床进行指挥、控制的数控装置数控装置 （3 3）驱动机床执行机构实施运动的）驱动机床执行机构实施运动的伺服系统伺服系统 4 2、数控机床的工作过程 3、数控机床的工作原理数控机床的工作原理： 数控装置内的计算机对以数控装置内的计算机对以 数字和字符编码方式所记录的信息进行一系列处理后，数字和字符编码方式所记录的信息进行一系列处理后， 向机床进给等执行机构发出命令，执行机构则按其命令向机床进给等执行机构发出命令，执行机构则按其命令 对加工所需各种动作如刀具相对工件的运动轨迹、位移对加工所需各种动作如刀具相对工件的运动轨迹、位移 量和速度等实现自动控制，从而完成工件的加工。量和速

5、度等实现自动控制，从而完成工件的加工。 零 件 图 样 程 序 设 计 程 序 编 制 指令信息 输入装置 数 控 装 置 伺 服 系 统 机 床 主 体 制 成 零 件 加工驱动命令 送进 输入 记录 输入 处理格式 5 二、数控机床的加工特点二、数控机床的加工特点 1 1、数控机床的加工特点、数控机床的加工特点 (1)(1)能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件。能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件。 壳体零件不开敞内腔中的成型面，以及壳体零件不开敞内腔中的成型面，以及“口小肚大口小肚大”类内类内 成型面零件等。成型面零件等。 (2)(2)能加工超精零件。能加工超精零件。 在高精

6、度的数控机床上，可加工出几何轮廓精度极高在高精度的数控机床上，可加工出几何轮廓精度极高( (达达 0 000 l mm)00 l mm)、表面粗糙度数值极小、表面粗糙度数值极小(Ra(Ra达达0 00202m)m)的超精的超精 零件，如复印机中的回转鼓及激光打印机上的多面反射体等。零件，如复印机中的回转鼓及激光打印机上的多面反射体等。 (3)(3)能加工普通机床不能能加工普通机床不能( (或不便或不便) )加工的多种零件加工的多种零件。 用数学模型描述的复杂曲线类零件及三维空间曲面类零用数学模型描述的复杂曲线类零件及三维空间曲面类零 件，以及高速车削无退刀槽的螺纹零件及表面粗糙度要求一件，以及

7、高速车削无退刀槽的螺纹零件及表面粗糙度要求一 致的变径表面致的变径表面( (端面、球面、大锥角的圆锥面端面、球面、大锥角的圆锥面) )类零件。类零件。 (4)(4)能加工经一次装夹定位后，需进行多道工序加工的零件。能加工经一次装夹定位后，需进行多道工序加工的零件。 在加工中心机床上可方便地实现对箱体类零件进行钻孔、在加工中心机床上可方便地实现对箱体类零件进行钻孔、 扩孔、镗孔及攻螺纹、铣削端面等多道工序的加工。扩孔、镗孔及攻螺纹、铣削端面等多道工序的加工。 6 (5) (5) 一台数控机床可同时加工两个或多个相同的零件，也可一台数控机床可同时加工两个或多个相同的零件，也可 同时加工多工序的不同

8、零件。同时加工多工序的不同零件。 在六轴控制的数控车床及交换工作台加工中心上就能快在六轴控制的数控车床及交换工作台加工中心上就能快 捷地加工出这类零件。捷地加工出这类零件。 (6)(6)减轻操作者的劳动强度和紧张程度，改善操作者的劳动条减轻操作者的劳动强度和紧张程度，改善操作者的劳动条 件。件。 自动化程度很高刀具的进给运动外，零件的装夹、刀具自动化程度很高刀具的进给运动外，零件的装夹、刀具 的更换、切屑的排除等项工作均能自动完成。的更换、切屑的排除等项工作均能自动完成。 (7)(7)缩短加工的准备时间，降低生产费用。缩短加工的准备时间，降低生产费用。 一般可省去前期划线、中间检验等工作，通常

9、还可省去复一般可省去前期划线、中间检验等工作，通常还可省去复 杂的工装，减少对零件的安装、调整等工作的时间。杂的工装，减少对零件的安装、调整等工作的时间。 (8)(8)较大地提高生产率较大地提高生产率。 能通过选用最佳工艺路线和切削用量，有效地减少加工中能通过选用最佳工艺路线和切削用量，有效地减少加工中 的辅助时间。的辅助时间。 (9)(9)新产品开发、原产品的改进与改型提供了方便。新产品开发、原产品的改进与改型提供了方便。 能通过修改加工程序，为科研产品设计工作的反复调整创能通过修改加工程序，为科研产品设计工作的反复调整创 造了良好的条件，从而大大地缩短了研制、定型的周期。造了良好的条件，从

10、而大大地缩短了研制、定型的周期。 7 2不适宜数控机床加工的范围 生产效率和经济效益没有明显优势。 (1)(1)加工轮廓简单、精度要求低或生产批量又特别大加工轮廓简单、精度要求低或生产批量又特别大 的零件。的零件。 (2)(2)装夹困难或必须依靠人工找正、定位才能保证其装夹困难或必须依靠人工找正、定位才能保证其 加工精度的单件零件。加工精度的单件零件。 (3)(3)加工余量特别大，或材质及余量都不均匀的坯件。加工余量特别大，或材质及余量都不均匀的坯件。 (4)(4)加工中，刀具的质量加工中，刀具的质量( (主要是耐用度主要是耐用度) )特别差时。特别差时。 8 三、三、 数控机床的坐标系数控机

11、床的坐标系 1 1、数控机床的坐标轴、数控机床的坐标轴 （1 1）坐标轴和运动方向命名的）坐标轴和运动方向命名的 原则原则 1 1）标准的坐标系是一个）标准的坐标系是一个右手直右手直 角笛卡尔坐标系角笛卡尔坐标系。 2 2） 坐标轴是假定刀具相对于假定刀具相对于 静止的工件运动。静止的工件运动。 当工件运动时，在坐标轴当工件运动时，在坐标轴 符号上加符号上加“ ”表示。表示。 3)3)刀具远离工件的运动方向刀具远离工件的运动方向 为为坐标的正方向坐标的正方向。 4)4)机床旋转坐标运动的正方机床旋转坐标运动的正方 向是按照向是按照右旋螺纹右旋螺纹进入工件的进入工件的 方向。如车床主轴顺时针转的

12、方向。如车床主轴顺时针转的 方向即为方向即为“+C+C”。 9 （2 2）Z Z 坐标轴的规定坐标轴的规定 1 1）在机床坐标系中，规定传递切削动力的主轴轴线为）在机床坐标系中，规定传递切削动力的主轴轴线为Z Z坐标轴。坐标轴。 2 2）对于没有主轴的机床（如数控龙门刨床），则规定）对于没有主轴的机床（如数控龙门刨床），则规定 Z Z 坐标轴垂直于工件装夹面方向。坐标轴垂直于工件装夹面方向。 3 3）如机床上有多个主轴，则选一垂直于工件装夹面的主轴作为主要的主轴。）如机床上有多个主轴，则选一垂直于工件装夹面的主轴作为主要的主轴。 4 4）当主轴始终平行于标准坐标系的一个坐标，则该坐标即为）当主

13、轴始终平行于标准坐标系的一个坐标，则该坐标即为 Z Z 坐标，例如卧式铣床的水坐标，例如卧式铣床的水 平主轴。平主轴。 10 （3 3）X X 坐标轴坐标轴 1 1）X X 坐标是水平的，它平行于工件的装夹面。坐标是水平的，它平行于工件的装夹面。 2 2）对工件旋转的机床，）对工件旋转的机床，X X 坐标的方向在工件的径向上，并且坐标的方向在工件的径向上，并且 平行于横滑座。平行于横滑座。 3 3）刀具旋转的机床，如）刀具旋转的机床，如 Z Z 坐标是水平坐标是水平( (卧式卧式) )的，当从主要刀的，当从主要刀 具的主轴向工件看时，具的主轴向工件看时，+X+X坐标方向指向右方；如坐标方向指向

14、右方；如z z坐标是垂直坐标是垂直 ( (立式立式) )的，对单立柱机床，当从主要刀具的主轴向立柱看时，的，对单立柱机床，当从主要刀具的主轴向立柱看时， +X+X坐标方向指向右方。坐标方向指向右方。 4 4）对刀具或工件均不旋转的机床）对刀具或工件均不旋转的机床( (如刨床如刨床) )，X X坐标平行于主要坐标平行于主要 切削方向，并以该方向为正方向。切削方向，并以该方向为正方向。 （4 4）Y Y坐标轴坐标轴 y y坐标轴根据坐标轴根据Z Z和和X X坐标轴，按照右手直角笛卡尔坐标系确定。坐标轴，按照右手直角笛卡尔坐标系确定。 （5 5）如在）如在X X、y y、Z Z主要直线运动之外另有第

15、二组平行于它们主要直线运动之外另有第二组平行于它们 的运动，可分别将它们的坐标指定为的运动，可分别将它们的坐标指定为U U、v v、W W。 （6 6）旋转坐标）旋转坐标A A、B B、C C。 分别表示其轴线为平行于分别表示其轴线为平行于X X、y y、z z坐坐 标轴的旋转坐标。如标轴的旋转坐标。如+A+A表示在表示在+x+x坐标轴方向按用右旋螺纹旋坐标轴方向按用右旋螺纹旋 转的方向。转的方向。 11 2 2、机床坐标系的确定方法及应用、机床坐标系的确定方法及应用 （1 1）机床坐标系的确定方法）机床坐标系的确定方法 1)1)坐标轴的确定方法坐标轴的确定方法 ： 一般先确定一般先确定“Z

16、Z”坐标轴，再按规定确定其坐标轴，再按规定确定其“X X”坐标轴，最后用坐标轴，最后用 右手螺旋定则确定右手螺旋定则确定“Y Y”坐标轴。坐标轴。 2)2)机床坐标系的原点机床坐标系的原点 ：机床坐标系原点又称机床零位或机床零点，该零点是在机床设：机床坐标系原点又称机床零位或机床零点，该零点是在机床设 计时规定的，以零点限位和撞块为标记，可设定在各坐标轴位移的不同位置。计时规定的，以零点限位和撞块为标记，可设定在各坐标轴位移的不同位置。 （2 2）机床坐标系原点的用途）机床坐标系原点的用途 机床坐标系原点用于数控系统某些功能的启动，如螺纹插补功能及各坐标机床坐标系原点用于数控系统某些功能的启动

17、，如螺纹插补功能及各坐标软限软限位的设位的设 定。还用于加工程序编制时选择工件坐标系相对机床坐标系原点的位置等，在机床设计中定。还用于加工程序编制时选择工件坐标系相对机床坐标系原点的位置等，在机床设计中 常用作换刀位置。常用作换刀位置。 12 3 3、工件坐标系、工件坐标系 工件坐标系是编程人员在编程工件坐标系是编程人员在编程 时使用的，由编程人员以工件时使用的，由编程人员以工件 图纸上的某一固定点为原点图纸上的某一固定点为原点 （也称工件原点）所建立的坐（也称工件原点）所建立的坐 标系，编程尺寸都按工件坐标标系，编程尺寸都按工件坐标 系中的尺寸确定。系中的尺寸确定。 在加工时，工件随夹具在机

18、床上安装后，测量工件在加工时，工件随夹具在机床上安装后，测量工件 原点与机床原点间的距离（通过测量某些基准面、线原点与机床原点间的距离（通过测量某些基准面、线 之间的距离来确定），这个距离称为之间的距离来确定），这个距离称为工件原点偏置工件原点偏置 （是机床原点在工件坐标系中的绝对坐标值），如图（是机床原点在工件坐标系中的绝对坐标值），如图 所示。所示。 编程时，该偏置值可预存到数控系统，在加工时，编程时，该偏置值可预存到数控系统，在加工时， 工件原点偏置值便能自动加到机床坐标系上，使数控工件原点偏置值便能自动加到机床坐标系上，使数控 系统可按机床坐标系确定加工时的坐标值。系统可按机床坐标系确

19、定加工时的坐标值。 13 4 4、绝对坐标与相对坐标、绝对坐标与相对坐标 运动轨迹的终点坐标是相对于起运动轨迹的终点坐标是相对于起 点计量的坐标系，点计量的坐标系，称为相对坐标系称为相对坐标系 （或增量坐标系）。（或增量坐标系）。 所有坐标点的坐标值均从某一固所有坐标点的坐标值均从某一固 定坐标原点计量的坐标系，称定坐标原点计量的坐标系，称为绝对为绝对 坐标系。坐标系。 在图中的在图中的A A、B B两点，若以绝对坐标计，两点，若以绝对坐标计， 则则 xAxA3030，yAyA3535，xBxB1212，yByB 1515 若以相对坐标计，则若以相对坐标计，则B B点的坐标是点的坐标是 在以在

20、以A A为原点建立起来的坐标系内计为原点建立起来的坐标系内计 量的，则终点量的，则终点B B的相对坐标为：的相对坐标为：xBxB 1818，yByB2020，其中负号表示，其中负号表示B B点点 在在X X、Y Y轴的负向。轴的负向。 在编程时，可根据具体机床的坐标系，在编程时，可根据具体机床的坐标系， 从编程方便（如根据图纸尺寸的标注从编程方便（如根据图纸尺寸的标注 方式）及加工精度要求选用坐标系的方式）及加工精度要求选用坐标系的 类型。类型。 14 四、四、 数控机床的分类数控机床的分类 1 1、按机床的工艺用途分类、按机床的工艺用途分类 有有普通数控机床、加工中心普通数控机床、加工中心(

21、 (机床机床) )、多坐标数控机床多坐标数控机床 及及特种数控机床特种数控机床。 （1 1）特种数控机床）特种数控机床：常见的有数控线切割机床，数：常见的有数控线切割机床，数 控激光加工控激光加工( (切割、打孔、焊接等切割、打孔、焊接等) )机床，数控火焰切机床，数控火焰切 割机床及数控弯管机床等。割机床及数控弯管机床等。 （2 2）普通数控机床普通数控机床：是与传统的普通机床工艺可行：是与传统的普通机床工艺可行 性相似的各种数控机床的统称。有性相似的各种数控机床的统称。有数控车床数控车床、数控铣数控铣 床床、数控刨床数控刨床、数控镗床数控镗床、数控钻床数控钻床及及数控电加工机数控电加工机

22、床床等。等。 还可进行更细的分类。普通数控车床还可分为还可进行更细的分类。普通数控车床还可分为卧式、卧式、 立式、卡盘式和顶尖式数控车床立式、卡盘式和顶尖式数控车床等。等。 15 数控车床 16 车铣复合中心 17 全功能数控铣床 18 高速数控铣床 19 立式数控铣床 20 立式加工中心 21 （3 3）加工中心）加工中心 数控加工中心机床简数控加工中心机床简 称加工中心称加工中心( (即即MC)MC)，是带，是带 有刀具库和自动换刀装置，有刀具库和自动换刀装置， 并具有多种工艺手段的数并具有多种工艺手段的数 控机床，其典型是镗、铣控机床，其典型是镗、铣 加工中心，如图所示。加工中心，如图所

23、示。 加工中心设置有刀具加工中心设置有刀具 库和相应的换刀机构，其库和相应的换刀机构，其 刀库中可存放几把至几百刀库中可存放几把至几百 把不同类型的刀具或检测把不同类型的刀具或检测 用工具。这些刀具或检具用工具。这些刀具或检具 在加工过程中通过加工程在加工过程中通过加工程 序可自动进行选用及更换。序可自动进行选用及更换。 图所示加工中心的刀库容图所示加工中心的刀库容 量为量为1616把。把。 加工中心的特点加工中心的特点 是零件经一次装夹后，能自动进行是零件经一次装夹后，能自动进行 多工序多工序( (如钻、铰、镗、铣及攻螺纹等如钻、铰、镗、铣及攻螺纹等) ) 的连续加工，以省去较多的工装及专用

24、的连续加工，以省去较多的工装及专用 机床，其加工的典型零件以复杂精密的机床，其加工的典型零件以复杂精密的 箱体一类居多。箱体一类居多。 加工中心可划分为多种类别，除常见的加工中心可划分为多种类别，除常见的 卧式、立式、单柱、双柱卧式、立式、单柱、双柱( (龙门式龙门式) )加工加工 中心外，还有单工作台、多工作台及复中心外，还有单工作台、多工作台及复 合合( (五面五面) )加工中心等。加工中心等。 22 2、按控制运动的轨迹分类 （1）点位控制数控机床 点位控制数控机床的机械运动实行点到点的准确定位控制， 而对其点到点之间的运动轨迹不作要求，这是因为刀具在其 定位运动的过程中不进行切削，而以

25、快速进给到定位位置(即 不与工件接触)，如图所示。 有数控钻床、数控冲床、数控坐标镗床、数控元件插装机及 数控测量机床等。 23 （2）直线控制数控机床直线控制数控机床 这类机床的机械运动方式除了要控制刀具相对于这类机床的机械运动方式除了要控制刀具相对于 工件工件( (或工作台或工作台) )的起点和终点的准确位置外，还要控的起点和终点的准确位置外，还要控 制每一程序段的起点与终点间的位移过程，即使刀具制每一程序段的起点与终点间的位移过程，即使刀具 以给定的进给速度作平行于某一坐标轴方向的直线运以给定的进给速度作平行于某一坐标轴方向的直线运 动，有动，有数控车床数控车床和和数控磨床数控磨床等。等

26、。 24 （3）连续控制数控机床 连续控制数控机床又称为轮廓控制数控机床。它能连续控制数控机床又称为轮廓控制数控机床。它能 够同时对两个或两个以上的坐标进行控制，从而按给够同时对两个或两个以上的坐标进行控制，从而按给 定的规律和速度进行准确的轮廓控制，使其运动轨迹定的规律和速度进行准确的轮廓控制，使其运动轨迹 成为所需要的直线、曲线或曲面，如图所示。成为所需要的直线、曲线或曲面，如图所示。 有有凸轮磨床、齿轮加工机床及线切割机床等凸轮磨床、齿轮加工机床及线切割机床等。 25 3 3、按伺服系统的类别分类按伺服系统的类别分类 按照控制方式分为三类按照控制方式分为三类 （1 1）开环控制数控机床）

27、开环控制数控机床 26 （2）闭环伺服系统闭环伺服系统 也被称为误差控制的随动系统。按系统中位置测量元件安装的不同也被称为误差控制的随动系统。按系统中位置测量元件安装的不同 方式，又分为方式，又分为全闭环全闭环和和半闭环半闭环伺服系统伺服系统。 数控 装置 伺服 放大 器 伺服 电机 机械 传动 装置 机床 工作 台 测量反 馈装置 全闭环伺服系统 半闭环伺服系统 27 （1 1）两坐标数控机床两坐标数控机床 指可以控制两个坐标指可以控制两个坐标 轴轴( (其控制方式能够联其控制方式能够联 动动) )加工曲线轮廓零件加工曲线轮廓零件 的机床。的机床。 有有数控车床；数控线切数控车床；数控线切

28、割机床、简易数控铣床割机床、简易数控铣床 等。等。 4、按控制的坐标轴数分类按控制的坐标轴数分类 数控机床在加工零件时，常常要控制两个或两个以上数控机床在加工零件时，常常要控制两个或两个以上 坐标轴方向的运动。在一台数控机床上，可以对几个坐标坐标轴方向的运动。在一台数控机床上，可以对几个坐标 轴方向的运动进行数字控制，这台机床就称为轴方向的运动进行数字控制，这台机床就称为“几几”坐标坐标 数控机床。数控机床。 28 （2 2）三坐标数控机床三坐标数控机床 联动控制的坐标轴均为三轴的轮廓控制机床。联动控制的坐标轴均为三轴的轮廓控制机床。 可以加工空间曲面。可以加工空间曲面。 最典型的是数控立式升

29、降台铣床最典型的是数控立式升降台铣床 29 （3 3）两轴半数控机床两轴半数控机床 有有x x、y y、Z Z三个可以控制的坐标轴，但能同时进行三个可以控制的坐标轴，但能同时进行 联动控制的坐标轴只是其中的任意两个，即联动控制的坐标轴只是其中的任意两个，即x xy y、 x xz z或或y yZ Z。第三。第三軸軸仅能作等距的周期移动。仅能作等距的周期移动。 有经济型有经济型数控铣床和数控钻床数控铣床和数控钻床等。等。 30 （4 4）多坐标数控机床多坐标数控机床 其联动控制坐标轴及可以控制其联动控制坐标轴及可以控制 的坐标轴均为四轴或四轴以上的机的坐标轴均为四轴或四轴以上的机 床，通称为多坐

30、标数控机床。床，通称为多坐标数控机床。 这类数控机床的控这类数控机床的控- -精度较高，精度较高， 加工零件的形状多为空间曲面，但加工零件的形状多为空间曲面，但 编制加工程序的工作复杂，一般需编制加工程序的工作复杂，一般需 要配合自动编程机，故适宜加工形要配合自动编程机，故适宜加工形 状特别复杂、精度要求较高的零件，状特别复杂、精度要求较高的零件， 如图所示的特殊涡轮毂上的曲面叶如图所示的特殊涡轮毂上的曲面叶 轮。轮。 31 5 5、其他分类方式其他分类方式 还可按数控系统的性能价格比分为还可按数控系统的性能价格比分为经济型经济型数控机床、数控机床、全全 功能型功能型数控机床和数控机床和超级数

31、控机床超级数控机床；按其插补功能又可分为；按其插补功能又可分为直直 线、圆弧和非圆曲线插补线、圆弧和非圆曲线插补数控机床等。以下简介按数控系统数控机床等。以下简介按数控系统 的性能与价格比所分的三种数控机床：的性能与价格比所分的三种数控机床： （1 1）经济型数控机床经济型数控机床 用经济型数控系统装备的机床称为用经济型数控系统装备的机床称为 经济型数控机床。经济型数控机床。 32 这类机床的数控系统主要采用性能较佳而价格这类机床的数控系统主要采用性能较佳而价格 低廉的单扳机、单片机、微型计算机进行控制，其低廉的单扳机、单片机、微型计算机进行控制，其 数控机床的结构一般较简单，且功能简化、针对

32、性数控机床的结构一般较简单，且功能简化、针对性 强、加工的基本功能齐备、精度适中、整台机床的强、加工的基本功能齐备、精度适中、整台机床的 价格仅为同类全功能数控机床的价格仅为同类全功能数控机床的1 11010一一1 18 8。这类。这类 机床特别适合我国的国情，除了应用面很广的车、机床特别适合我国的国情，除了应用面很广的车、 铣、钻等普通的经济型数控机床外，经济型的数控铣、钻等普通的经济型数控机床外，经济型的数控 冲压机、绕线机、纺捻机及元件插装机等也在不断冲压机、绕线机、纺捻机及元件插装机等也在不断 涌现出来。涌现出来。 经济型数控机床不仅在我国受到高度重视，在经济型数控机床不仅在我国受到高

33、度重视，在 发达的工业国家发达的工业国家( (如日本、美国、德国、荷兰和加拿如日本、美国、德国、荷兰和加拿 大等大等) )中，也受到青睐。中，也受到青睐。 33 （2 2）全功能型数控机全功能型数控机 床床 全功能型数控机全功能型数控机 床又称为多功能型或床又称为多功能型或 万能型数控机床。这万能型数控机床。这 类机床的总体结构先类机床的总体结构先 进，控制功能齐全，进，控制功能齐全， 辅助功能完善，加工辅助功能完善，加工 的自动化程度比经济的自动化程度比经济 型数控机床高，稳定型数控机床高，稳定 性和可靠性也较好，性和可靠性也较好， 适合于加工精度较高适合于加工精度较高 的零件。图为的零件。

34、图为XK5040AXK5040A 立式数控铣床。立式数控铣床。 34 （3 3）超级数控机床超级数控机床 所谓超级数控机床，指已超越单机数控的概念，其构成所谓超级数控机床，指已超越单机数控的概念，其构成 更加先进，是适应功能和管理功能很强、自动化程度也更高更加先进，是适应功能和管理功能很强、自动化程度也更高 的的机床群机床群。 1)1)柔性制造单元柔性制造单元(FMC) (FMC) 柔性是指无论在硬件或软件方柔性是指无论在硬件或软件方 面，机床都能多方面适应不同加工对象与工艺方法的特性。面，机床都能多方面适应不同加工对象与工艺方法的特性。 柔性制造单元是在加工中心及车削中心的基础上发展起柔性制

35、造单元是在加工中心及车削中心的基础上发展起 来的，一般由来的，一般由3 35 5台数控机床、内部输送装置及实施中央管台数控机床、内部输送装置及实施中央管 理的控制装置等组成，可以在不同的机床或同一台机床上进理的控制装置等组成，可以在不同的机床或同一台机床上进 行不同零件的同步加工，使生产率大大提高。行不同零件的同步加工，使生产率大大提高。 2)2)柔性制造系统柔性制造系统(FMS) (FMS) 柔性制造系统由数台数控机床柔性制造系统由数台数控机床 ( (主要主要加工中心加工中心) )、物料传输装置、物料传输装置( (包括工业机器人、自动立包括工业机器人、自动立 体仓库、无人运输车等体仓库、无人

36、运输车等) )和多台大型计算机和多台大型计算机( (包括工厂主控计包括工厂主控计 算机，中央管理、监控及仿真计算机算机，中央管理、监控及仿真计算机) )系统等组成，可以同时系统等组成，可以同时 加工装配和检验上千种零件，并能实现加工装配和检验上千种零件，并能实现2424小时无人化运转。小时无人化运转。 例如，日本法那克公司曾有一条由例如，日本法那克公司曾有一条由6060台数控机床，台数控机床，5252个工业个工业 机器人、两台无人运输车和一个自动化立体仓库组成的柔性机器人、两台无人运输车和一个自动化立体仓库组成的柔性 制造系统，月产伺服电机一万多台。制造系统，月产伺服电机一万多台。 35 3)

37、3)计算机集成制造系统计算机集成制造系统(CIMS)(CIMS) 该系统由工厂加工过程自动化与产品设计及经营管理自该系统由工厂加工过程自动化与产品设计及经营管理自 动化等系统组成，从而构成一个优化和完整的自动化生产大系统。动化等系统组成，从而构成一个优化和完整的自动化生产大系统。 应用计算机集成制造系统可以实现脑力劳动自动化和机器的智能化。它不仅使生产应用计算机集成制造系统可以实现脑力劳动自动化和机器的智能化。它不仅使生产 效率极大提高，而且使产品质量提高、生产周期缩短和产品更新换代速度加快。可以预料，效率极大提高，而且使产品质量提高、生产周期缩短和产品更新换代速度加快。可以预料， 机械制造技

38、术第三次历史性的变革，将使机械制造业的面貌发生更加深刻的变化，机械制造技术第三次历史性的变革，将使机械制造业的面貌发生更加深刻的变化，CIMSCIMS 也必将在今后工业企业中占有主导地位。也必将在今后工业企业中占有主导地位。 36 五、五、 数控机床的组成数控机床的组成 （一）辅助装置（一）辅助装置 1 1、 输入装置输入装置 （1 1）输入装置输入装置：它将准确可靠地接收信息介质上所记录的：它将准确可靠地接收信息介质上所记录的“工工 程语言程语言”，运算及操作指令等原始数据，转变为数控装置能，运算及操作指令等原始数据，转变为数控装置能 处理的信息，并同时输送给数控装置。处理的信息，并同时输送

39、给数控装置。 （2 2） 输入信息的方式输入信息的方式分分手工输入手工输入和和自动输入自动输入。进行手工输入。进行手工输入 时，其数控装置大多数为数控系统操作面板上的键盘。时，其数控装置大多数为数控系统操作面板上的键盘。 手工输入简单、方便，但输入数度慢，容易出错。现代数控手工输入简单、方便，但输入数度慢，容易出错。现代数控 机床普遍采用自动输入，其输入装置多以光电阅读机机床普遍采用自动输入，其输入装置多以光电阅读机( (又称光又称光 电纸带输入机电纸带输入机) )为主。其他还有触针接触式阅读机、磁带阅读为主。其他还有触针接触式阅读机、磁带阅读 机及磁盘驱动器等。机及磁盘驱动器等。 2 2、穿

40、孔带穿孔带 数控机床工作时，机床主体必须准确地执行人的意图，数控机床工作时，机床主体必须准确地执行人的意图， 即通过零件图样或工艺文件反映出的各种要求。这就需要在即通过零件图样或工艺文件反映出的各种要求。这就需要在 人和机器之间，建立起一种特殊的联系媒介人和机器之间，建立起一种特殊的联系媒介人和机器都人和机器都 能能“懂懂”的的“工程语言工程语言”，这种语言被称为指令信息或指令，这种语言被称为指令信息或指令 信号。用特殊的方式将这些指令信息信号。用特殊的方式将这些指令信息“记录记录”下来，就形成下来，就形成 了信息介质。穿孔带及其他数控带了信息介质。穿孔带及其他数控带( (盘盘) )都是数控装

41、置能够都是数控装置能够 “认识，的信息介质。认识，的信息介质。 37 目前，国内数控机床普遍采用带宽为目前，国内数控机床普遍采用带宽为17175 mm5 mm的的5 5单位标准穿孔带单位标准穿孔带( (主要供数控线切割主要供数控线切割 机床用机床用) )；带宽为；带宽为25253 mm3 mm的的8 8单位穿孔带记录信息较多，广泛用于各种数控机床中。单位穿孔带记录信息较多，广泛用于各种数控机床中。 穿孔带上的孔统称为穿孔带上的孔统称为信息孔信息孔。其中较小的孔称为。其中较小的孔称为同步孔同步孔( (有时也称为中导孔或输带孔有时也称为中导孔或输带孔) )； 较大的孔称为较大的孔称为信号孔信号孔(

42、 (也称通道孔也称通道孔) )。对脉冲信号而言，有大孔则表示其状态为。对脉冲信号而言，有大孔则表示其状态为“1 1”，无，无 大孔则表示其状态为大孔则表示其状态为“0 0”。 穿孔带上离同步孔较近的一条边，称为穿孔带上离同步孔较近的一条边，称为基准边基准边。与基准边平行排列的各孔。与基准边平行排列的各孔称为称为 “列列”。几单位穿孔带即有几列孔；与基准边垂直排列的各孔。几单位穿孔带即有几列孔；与基准边垂直排列的各孔称为称为“行行”，每行位置上的，每行位置上的 各孔表示一个数码或字符各孔表示一个数码或字符，同步孔不计入，同步孔不计入“列列”，它一般仅起同步信号作用，不表示任何，它一般仅起同步信号

43、作用，不表示任何 有效的代码信息。有效的代码信息。 38 参照表，可读出穿参照表，可读出穿 孔带上的内容孔带上的内容( (从左从左 向右阅读向右阅读) )：0 0一一9 9 共共1010个数宇码，个数宇码，A A Z Z共共2626个英文字母码，个英文字母码， 其中的第其中的第8 8列孔为补列孔为补 偶孔。偶孔。 39 40 3 3、光电阅读机、光电阅读机 经济型数控机床一般不设置阅读机，指令信息通过数控经济型数控机床一般不设置阅读机，指令信息通过数控 系统上的微机键盘直接进行手工输入，全功能数控机床既可系统上的微机键盘直接进行手工输入，全功能数控机床既可 采用手工敲健输入，也可采用光电阅读机

44、等输入装置进行自采用手工敲健输入，也可采用光电阅读机等输入装置进行自 动输入。动输入。 光电阅读机的光电阅读机的组成。组成。 (1)(1)走带装置走带装置由主动轮由主动轮4 4、 压轮压轮3 3、衔铁、衔铁5 5、启动电磁、启动电磁 铁铁1212以及与停带装置共用以及与停带装置共用 的继电器的继电器( (图中未画出图中未画出) )等等 组成。组成。 (2)(2)停带装置停带装置: :主要由衔铁主要由衔铁 1010、制动电磁铁、制动电磁铁1313和继电和继电 器等组成。器等组成。 (3)(3)光电转换装置光电转换装置: : 把光信号转变成电信号输把光信号转变成电信号输 出。出。 41 （1 1）

45、数控装置的作用）数控装置的作用 接收由加工程序等送来的各种信息，并经处理接收由加工程序等送来的各种信息，并经处理 和分配后，向驱动机构发出执行的命令。在执行过和分配后，向驱动机构发出执行的命令。在执行过 程中，其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给程中，其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给 数控装置，经处理后，发出新的执行命令。数控装置，经处理后，发出新的执行命令。 4 4、数控装置数控装置 数控装置是数控机床的核心，数控机床几呼数控装置是数控机床的核心，数控机床几呼 所有的控制功能所有的控制功能( (进给坐标位置与速度，主轴、进给坐标位置与速度，主轴、 刀具、冷却及机床强电等多种辅助功能刀

46、具、冷却及机床强电等多种辅助功能) )都由它都由它 控制实现。因此，数控装置的发展，在很大程度控制实现。因此，数控装置的发展，在很大程度 上代表了数控机床的发展方向。上代表了数控机床的发展方向。 42 （2）数控装置的组成 43 （3 3）数控装置的工作原理数控装置的工作原理 是指控制各进给坐标所需进给脉冲的基本规律。是指控制各进给坐标所需进给脉冲的基本规律。 机床数控的中心问题，是其数控装置如何按照输入的原始数机床数控的中心问题，是其数控装置如何按照输入的原始数 据信息，通过运算等处理，产生出符合要求的若干个脉冲信据信息，通过运算等处理，产生出符合要求的若干个脉冲信 号，以控制刀具运动轨迹的

47、实现。号，以控制刀具运动轨迹的实现。 5 5、插补原理、插补原理 （1 1）脉冲的概念）脉冲的概念 数控离不开计算机，计算机离不开数控离不开计算机，计算机离不开”脉脉 冲冲”。严格地讲，任何种机床的数控系统，实质上都是一个。严格地讲，任何种机床的数控系统，实质上都是一个 复杂的脉冲系统。复杂的脉冲系统。 从广义上看从广义上看, ,脉冲是一种间断的、具有突然变化的特征，脉冲是一种间断的、具有突然变化的特征， 它含有它含有”脉动脉动”和和”冲击冲击”的意思。的意思。 在脉冲技术中，脉冲电流、脉冲电压及脉冲信号在脉冲技术中，脉冲电流、脉冲电压及脉冲信号( (波形波形) )等被等被 称为脉冲。称为脉冲

48、。 （2 2）脉冲电路）脉冲电路 它是数控技术的基础它是数控技术的基础 ， 所有对脉冲信号进所有对脉冲信号进 行行“处理处理”的电路，通称为脉冲电路。如基本单元电路的电路，通称为脉冲电路。如基本单元电路( (开关开关 电路电路) )及能按照一定逻辑函数关系进行因果判断的逻辑电路等。及能按照一定逻辑函数关系进行因果判断的逻辑电路等。 所谓处理，主要指脉冲信号的产生、变换、传输、放大、整所谓处理，主要指脉冲信号的产生、变换、传输、放大、整 形、记忆、计数、寄存、运算、译码、识别且显示等。作为形、记忆、计数、寄存、运算、译码、识别且显示等。作为 电子计算机硬件基础的脉冲数字电路是典型的脉冲电路。电子

49、计算机硬件基础的脉冲数字电路是典型的脉冲电路。 44 数控系统工作时，必须先将某一坐标方向上所需要的位数控系统工作时，必须先将某一坐标方向上所需要的位 移量转换为脉冲数，并置于计数器内，然后启动由主控制器移量转换为脉冲数，并置于计数器内，然后启动由主控制器 控制的脉冲发生器并输出脉冲，驱动伺服电机运动；另控制的脉冲发生器并输出脉冲，驱动伺服电机运动；另 一方一方 面，置于计数器内的脉冲数同时在计数器内作减法，当原置面，置于计数器内的脉冲数同时在计数器内作减法，当原置 入的脉冲数减至零时，脉冲输出立即停止，该坐标方向上的入的脉冲数减至零时，脉冲输出立即停止，该坐标方向上的 位移也相应停止。位移也

50、相应停止。 （3 3）脉冲当量）脉冲当量该系统每发出一个进给脉冲，机床机械运动机构该系统每发出一个进给脉冲，机床机械运动机构 就产生一个相应的位移量。就产生一个相应的位移量。既既一个脉冲所对应的位移量称为一个脉冲所对应的位移量称为 脉冲当量，它是脉冲分配计算中的基本单位，其进给坐标轴脉冲当量，它是脉冲分配计算中的基本单位，其进给坐标轴 的脉冲当量用代号的脉冲当量用代号Q Q表示：表示： Q=LiQ=Li/360/360 式中式中 Q Q脉冲当量脉冲当量(mm)(mm)； 步距角步距角( (伺服电机在输入一个脉冲时所转过的角度伺服电机在输入一个脉冲时所转过的角度) )； L L传动螺旋副的导程传

51、动螺旋副的导程(mm(mm，等于螺距乘线数，等于螺距乘线数) )； i i伺服电机至螺旋副间的传动比。伺服电机至螺旋副间的传动比。 同理可得刀具位移的关系式：同理可得刀具位移的关系式：S= QNS= QN 式中式中 S S刀具运动的位移量刀具运动的位移量(mm)(mm)； N N脉冲个数。脉冲个数。 车床数控系统一般车床数控系统一般z z轴的脉冲当量为轴的脉冲当量为0.01 mm0.01 mm，X X轴的脉冲当量轴的脉冲当量 为为0.005 mm0.005 mm。 45 （4 4）插补运动的产生）插补运动的产生 各种数控机床加工复杂轮廓零件时，各种数控机床加工复杂轮廓零件时， 需要将两个或两个

52、以上的进给轴的直线运动合成，以实现所需要将两个或两个以上的进给轴的直线运动合成，以实现所 需轮廓的运动轨迹。在数控技术中需轮廓的运动轨迹。在数控技术中, ,这种合成的复杂运动称为这种合成的复杂运动称为 插补运动插补运动。数控装置为了完成机床所需插补运动而进行的一。数控装置为了完成机床所需插补运动而进行的一 系列运算，称插补运算；在其插补运动过程中，每一个单位系列运算，称插补运算；在其插补运动过程中，每一个单位 脉冲脉冲( (即每一步即每一步) )所到达的终点，称为所到达的终点，称为插补点插补点。 （5 5）插朴运动轨迹分析插朴运动轨迹分析 例例1 1：设数控系统规定：设数控系统规定x x和和z

53、 z坐标轴方向的脉冲当量均为坐标轴方向的脉冲当量均为0 001 01 mmmm，如最小设定单位为一个脉冲，现分析如图中从，如最小设定单位为一个脉冲，现分析如图中从A A点到点到B B点点 的插补运动轨迹。的插补运动轨迹。 A A点到点到B B点的轨迹是由点的轨迹是由X X和和z z两个坐标两个坐标 方向上的位移合成的，实际运动轨方向上的位移合成的，实际运动轨 迹（既迹（既A-M-E-N-F-P-B)A-M-E-N-F-P-B)不可能与其不可能与其 理想轨迹理想轨迹( (即直线即直线AB)AB)完全相同，而完全相同，而 是由一些折线段形成。因此，进给是由一些折线段形成。因此，进给 的最小设定单位

54、越小，实际运动轨的最小设定单位越小，实际运动轨 迹越接近理想运动轨迹。迹越接近理想运动轨迹。 46 例例2 2：设数控系统规定：设数控系统规定X X 和和Y Y坐标方向的脉冲当量坐标方向的脉冲当量 均为均为0 00 1mm0 1mm，如最小，如最小 设定单位为一个脉冲，设定单位为一个脉冲， 分析图中从分析图中从O O点到点到M M点的点的 插补运动轨迹。插补运动轨迹。 （6）插补运动的特点 插补运动的实际轨迹始终不可能与其理想轨迹完全相同，插补插补运动的实际轨迹始终不可能与其理想轨迹完全相同，插补 点一般也不会落到理想轨迹上。点一般也不会落到理想轨迹上。 当进给运动的轨迹不与坐标轴平行时，则经

55、数控系统插补后的当进给运动的轨迹不与坐标轴平行时，则经数控系统插补后的 实际轨迹均由很多折线段组成，其折线交点即插补点一般不能与理实际轨迹均由很多折线段组成，其折线交点即插补点一般不能与理 想轨迹重合，每一个交点的位置将由数控系统确定并控制。想轨迹重合，每一个交点的位置将由数控系统确定并控制。 因为数控系统所进行的插补运算，是以最小设定单位因为数控系统所进行的插补运算，是以最小设定单位( (一般为一一般为一 个脉冲个脉冲) )为插补单位的，所以在完工零件的轮廓上，看不出实际插为插补单位的，所以在完工零件的轮廓上，看不出实际插 补轨迹的折线形状。实际终点与理想终点的误差，一般不大于半个补轨迹的折

56、线形状。实际终点与理想终点的误差，一般不大于半个 脉冲。脉冲。 数控系统规定的脉冲当量越小，插补运动的实际轨迹就越接近数控系统规定的脉冲当量越小，插补运动的实际轨迹就越接近 理想轨迹，加工精度也就越高。理想轨迹，加工精度也就越高。 47 6 6、伺服系统、伺服系统 伺服系统位于数控装置与机床主体之间，它的伺服系统位于数控装置与机床主体之间，它的 作用是，将从数控装置输出线路接收到的微弱电信作用是，将从数控装置输出线路接收到的微弱电信 号号( (脉冲电压约脉冲电压约5 V5 V左右，脉冲电流为毫安级左右，脉冲电流为毫安级) )，经，经 功率放大等电路放大为较强的电信号功率放大等电路放大为较强的电

57、信号( (驱动电压约驱动电压约 几十伏至几百伏，电流可达几十安培几十伏至几百伏，电流可达几十安培) )，然后将接，然后将接 收到的上述数字量信息转换成模拟量收到的上述数字量信息转换成模拟量( (执行电机轴执行电机轴 的角位移和角速度的角位移和角速度) )信息，从而驱动执行电机带动信息，从而驱动执行电机带动 机床运动部件按约定的速度和位置进行运动。机床运动部件按约定的速度和位置进行运动。 48 49 7 7、 检测反馈装置的作用检测反馈装置的作用：将其准确测得的直线位移或角位移：将其准确测得的直线位移或角位移 迅速反馈给数控装置，以便与加工程序给定的指令值进行比迅速反馈给数控装置，以便与加工程序

58、给定的指令值进行比 较，如有误差较，如有误差( (与指令值不一致与指令值不一致) )，数控装置将向伺服系统发，数控装置将向伺服系统发 出新的修正命令，并如此反复进行，直至消除其间接误差。出新的修正命令，并如此反复进行，直至消除其间接误差。 50 1 1）工作原理）工作原理： 当钢光栅尺与机床进给机构位移时，光源当钢光栅尺与机床进给机构位移时，光源4(4(灯泡灯泡) ) 通过聚透镜通过聚透镜5 5将聚集强光照射在钢光栅尺的划线上，反射出来的线将聚集强光照射在钢光栅尺的划线上，反射出来的线 纹光束透过玻璃扫描板，而照射在光电池纹光束透过玻璃扫描板，而照射在光电池6 6上，光电池将接收到的上，光电池

59、将接收到的 光信号转换为微弱的电信号，然后经信号处理装置光信号转换为微弱的电信号，然后经信号处理装置7 7进行整形、放进行整形、放 大及微分等处理后，即可输出与检测位移成比例的脉冲信号。大及微分等处理后，即可输出与检测位移成比例的脉冲信号。 长光栅用于检测直线位移长光栅用于检测直线位移( (即即x x、 r r、z z坐标值坐标值) )，目前这类装，目前这类装 置能测量的最小位移量可达到置能测量的最小位移量可达到0.0. 001 mm001 mm。 （1 1）长光栅：）长光栅：固定固定 在机床运动机件，尺在机床运动机件，尺 面上刻线范围为面上刻线范围为1 12 2 m m，刻线密度为，刻线密度

60、为2525、 5050、100100条条mmmm等：等： 玻璃扫描板玻璃扫描板3(3(又称指又称指 示光栅示光栅) )安装在机床安装在机床 相应的固定部件上，相应的固定部件上， 板面上刻有与钢光栅板面上刻有与钢光栅 尺刻线间距相同的刻尺刻线间距相同的刻 线。线。 51 （2）光电编码器光电编码器也也 称为光电式主轴脉称为光电式主轴脉 冲发生器。冲发生器。 这种装置的转轴安这种装置的转轴安 装在与车床主轴同装在与车床主轴同 步转动的位置上，步转动的位置上， 可准确测量出车床可准确测量出车床 主轴的转数及旋转主轴的转数及旋转 零点的位置，并以零点的位置，并以 脉冲的方式将这些脉冲的方式将这些 信号